Оптимізація екстракції полісахаридів з кореня алтеї

Abstract

У магістерській кваліфікаційній роботі представлено результати дослідження ферментативного методу екстракції слизових полісахаридів (муциляжу) з кореня Althaea officinalis L., з метою оптимізації умов процесу та порівняння з традиційною водною мацерацією. Актуальність роботи зумовлена зростаючим попитом на природні біополімери у фармацевтичній, харчовій та косметичній промисловості, а також потребою у вдосконаленні екологічно безпечних та економічно ефективних методів виділення біоактивних речовин рослинного походження. Об'єктом дослідження є корені алтеї лікарської – офіцинальна лікарська сировина, багата на слизові полісахариди, пектини, крохмаль, цукри та інші цінні біомолекули. Основною метою дослідження стало визначення оптимальних параметрів ферментативної екстракції за допомогою методу поверхні відгуку (Response Surface Methodology, RSM) з використанням центрального композиційного плану (CCD). У якості змінних факторів розглядалися: концентрація ферменту (0–5%), тривалість ферментації (1–3 годин) та pH середовища (4,0–5,6). Експерименти проводилися на наважці сухої подрібненої сировини масою 5,0 г, при температурі 60?±?2?°C. Визначення кількості виділеного муциляжу проводилося гравіметричним методом після спиртового осадження та фільтрації. Результати дослідження показали, що найвищий приріст виходу полісахаридів (+15,5%) досягається при використанні комбінованого ферментативного гідролізу за концентрації ферменту 1%, pH 4,0 та часу обробки 1 год. Водночас деякі параметри, зокрема збільшення часу ферментації понад 4 години або збільшення pH вище 6,0, призводили до зменшення виходу. Отримані дані були апроксимовані квадратичною моделлю, підтвердженою статистичною обробкою (ANOVA, R? = 0,93). Побудовані поверхні відгуку дозволили візуалізувати взаємозв’язки між технологічними параметрами та виходом продукту. Для валідації методики було проведено порівняльне дослідження традиційної водної екстракції шляхом мацерації протягом 3+4 годин, результати якого показали нижчий приріст виходу (базовий рівень – 0,00549 г/5 г). За результатами роботи обґрунтовано перспективи впровадження ферментативного методу екстракції у малотоннажне виробництво як ефективної альтернативи мацераційним підходам. Запропонований метод забезпечує скорочення тривалості процесу більш ніж удвічі, економію енерговитрат, покращення екологічності та підвищення виходу діючої речовини.This work presents the results of a comprehensive study on the enzymeassisted extraction of mucilaginous polysaccharides (mucilage) from the roots of Althaea officinalis L., with the aim of optimizing the process parameters using Response Surface Methodology (RSM) and comparing the outcomes with those obtained via traditional aqueous maceration. The growing interest in plant-derived biopolymers, particularly those with biofunctional properties such as water retention, emulsification, gelling, and film-forming abilities, underlines the relevance of this research. Mucilage from medicinal plants is widely used in pharmaceutical, food, and cosmetic industries as a natural thickener, stabilizer, and bioactive excipient. The study focused on Althaea officinalis L., a pharmacopeial medicinal plant with roots containing up to 35% mucilage along with starch (up to 37%), pectins (10– 11%), sugars, betaine, lecithin, and a broad spectrum of macro- and microelements. The mucilage extracted from its roots is a complex heteropolysaccharide, primarily composed of galacturonic acid, rhamnose, arabinose, and neutral sugars such as glucose and galactose, forming a rhamnogalacturonan-like pectic structure. This composition, combined with bioadhesive and immunomodulatory properties, makes marshmallow root mucilage a valuable candidate for formulation in modern phytopharmaceuticals and functional food systems. The experimental design employed a Central Composite Design (CCD) under RSM to study the influence of three independent variables: enzyme concentration (0– 5%), extraction time (1–5 hours), and pH (4.0–5.6) on mucilage yield. The experiments were conducted on 5.0 g samples of dry root powder, under controlled conditions (temperature 60±?2?°C, solid-to-liquid ratio 1:25). Cellulolytic enzymes were used to hydrolyze the cell walls and facilitate mucilage release. The yield of polysaccharides was determined gravimetrically after precipitation with ethanol and vacuum filtration. All experiments were performed in triplicate. The results demonstrated that enzyme-assisted extraction significantly improves mucilage yield compared to traditional water maceration (used as the control, yielding approx. 0.00549 g per 5 g sample). The highest mucilage yield3 (+15.5% increase relative to baseline) was obtained at 1% enzyme concentration, pH 4.0, and extraction time of 1 hour. Statistical analysis confirmed the significance of the model (ANOVA, R? = 0.93), and three-dimensional response surface plots were generated to visualize the interactions among variables. It was found that pH had a non-linear effect, with lower values (below 4.0) leading to a decrease in yield, possibly due to enzyme denaturation or mucilage degradation. Prolonged extraction times (above 4 hours) did not result in proportional increases in yield and were considered inefficient. In addition to yield analysis, the study explored the technological aspects of mucilage recovery. Various filtration media were evaluated, including gauze, cotton wool, and filter paper, and their effects on recovery efficiency and contamination were discussed. Ethanol precipitation and washing protocols using isopropanol, acetone, and ethyl acetate were optimized to improve purity and reduce associated residues. Furthermore, centrifugation was applied post-extraction to clarify the extract and separate particulate residues, and the sediment was transferred quantitatively onto filter media for further analysis. A material balance was calculated for the production of 1 kg of dry mucilage, taking into account raw material requirements, enzyme usage, ethanol consumption, and processing losses. Under optimized conditions, the estimated root material requirement is approximately 90–95 kg per kg of mucilage, depending on the polysaccharide content and extraction efficiency. A comparative analysis with traditional extraction (hot water maceration for 3+4 hours) showed that enzyme-assisted extraction not only reduces processing time by more than 50% but also improves yield and reduces thermal degradation risks. Moreover, the milder processing conditions align with green chemistry principles, lowering energy consumption and improving environmental compatibility. The potential industrial application of the optimized process was evaluated in the context of small-scale phytopharmaceutical production. Given the favorable physicochemical properties of Althaea officinalis mucilage, its application as a4 pharmaceutical excipient (binder, emulsifier, mucoadhesive agent) or functional ingredient in nutraceuticals and plant-based beverages is highly promising. Further studies are recommended to assess its rheological behavior using viscometric analysis, as well as its stability, shelf life, and compatibility with active pharmaceutical ingredients. In conclusion, the enzyme-assisted extraction method developed and optimized in this study offers a time-efficient, sustainable, and scalable approach for obtaining high-quality mucilage from Althaea officinalis roots. The results provide a solid foundation for the development of innovative biotechnological processes for the valorization of medicinal plant raw materials. This work contributes to the advancement of plant-based green technologies and supports the integration of traditional phytomedicine into modern evidence-based pharmaceutical practices.